【大学课件】计算机体系结构

计算机体系结构本课程将探讨计算机系统内部的工作原理，包括硬件和软件如何协同工作。计算机体系结构概述硬件和软件的桥梁计算机体系结构定义了计算机系统的组织和工作原理，是硬件和软件之间的桥梁。程序执行的蓝图它描述了计算机如何执行指令、存储数据以及管理资源，为程序执行提供蓝图。性能和成本的平衡计算机体系结构的设计需要在性能、成本、功耗等方面进行权衡，以满足不同的应用需求。计算机的基本组成中央处理器(CPU)计算机的大脑，负责执行指令和处理数据。主存储器(RAM)用于存储正在运行的程序和数据。输入/输出设备(I/O)用于将信息输入计算机，并将结果输出到外部设备。存储器(SecondaryStorage)用于存储长期保存的数据和程序。计算机硬件系统的层次结构1系统级用户视角,包括操作系统,应用软件,数据文件等.2体系结构级逻辑结构,包括指令集,数据类型,寻址方式,中断处理等.3微体系结构级硬件结构,包括CPU,内存,外设等.4电路级逻辑门,触发器等电路实现.存储系统硬盘主要存储设备，提供持久性存储，容量大、价格低，速度慢。固态硬盘速度更快，成本更高，容量略小于硬盘，寿命更长。闪存可移动存储设备，容量较小，速度快，价格较低。存储器的分类和特点1主存储器也称为内存或RAM，是CPU直接访问的存储器，速度快，容量相对较小，存储的数据会随着断电而丢失。2辅助存储器也称为外存，例如硬盘、光盘等，容量大，速度慢，存储的数据在断电后不会丢失。3高速缓存也称为缓存，是介于CPU和主存储器之间的一种高速存储器，用于存放经常访问的数据，以提高访问速度。主存储器的工作原理地址映射CPU通过地址总线访问主存储器，每个存储单元都有唯一的地址。地址映射是指CPU生成的逻辑地址到物理地址的转换过程。读写操作CPU通过数据总线读写数据，读操作是将数据从主存储器传送到CPU，写操作是将数据从CPU写入到主存储器。存储器控制器存储器控制器负责协调CPU和主存储器之间的读写操作，包括地址译码、数据缓冲、错误检测等功能。缓存存储器的工作原理1高速缓存速度最快，容量最小2主存速度中等，容量中等3辅助存储器速度最慢，容量最大虚拟存储器扩展地址空间虚拟存储器允许程序使用比物理内存更大的地址空间，从而允许运行更大的程序。提高内存利用率通过将程序和数据部分地加载到内存中，可以运行多个程序，即使它们的总大小超过了物理内存容量。简化内存管理虚拟存储器简化了程序员的内存管理，因为他们可以使用连续的地址空间，而无需考虑物理内存的碎片化。存储管理技术页面置换算法选择一个页面从内存中替换出来，为新页面腾出空间。常用的算法包括FIFO、LRU和OPT。内存碎片整理内存碎片会导致内存空间浪费，需要进行整理以提高内存利用率。内存分配策略决定如何分配和管理内存空间，常见的策略包括连续分配和分页分配。输入/输出系统I/O设备键盘、鼠标、显示器、打印机等用于与外部世界交互的设备。I/O接口连接I/O设备和CPU的桥梁，负责数据传输和控制。I/O控制器管理I/O设备，负责数据传输的控制和协调。I/O设备与I/O接口I/O设备I/O设备是指连接到计算机系统并与其进行数据交换的外部设备。I/O接口I/O接口是连接I/O设备和计算机系统的桥梁，负责协调数据传输和控制信号。I/O控制I/O控制负责管理I/O设备和接口的运作，确保数据的正确传输和设备的正常工作。I/O程序设计技术1中断驱动I/O中断驱动I/O是一种常用的I/O方式，它使用中断机制来处理I/O事件，提高了系统效率。2DMA方式DMA方式直接内存访问，通过专用控制器将数据直接传输到内存，减轻了CPU的负担。3通道技术通道技术是一种更高级的I/O控制方式，通过专用通道控制器来管理I/O操作，使CPU可以专注于其他任务。中央处理器定义中央处理器(CPU)是计算机系统的核心，负责执行指令、处理数据和控制整个系统的运行。功能CPU通过执行指令来完成各种任务，例如运算、逻辑判断、数据传输和控制设备等。重要性CPU的性能直接影响计算机的运算速度、效率和整体性能。中央处理器的基本结构算术逻辑单元(ALU)执行算术和逻辑运算，例如加减乘除、比较大小等。寄存器用于存储数据和指令，包括通用寄存器、专用寄存器等。控制单元负责控制CPU的各个部件协同工作，执行指令。指令集结构指令集是计算机体系结构的核心，定义了CPU可以执行的指令和操作。指令集决定了CPU的编程模型，影响着软件的开发和运行效率。指令集的种类繁多，常见的包括CISC、RISC等，各有优劣，需要根据不同的应用场景选择。CPU的性能指标CPU的性能指标有很多,包括主频,指令周期,CPI,MIPS,MFLOPS等.这些指标可以用来衡量CPU的性能.流水线技术提高效率通过将指令执行过程分解成多个子任务，并行处理这些子任务，从而提高CPU的执行效率。减少等待时间流水线技术可以减少指令执行的等待时间，因为在一条指令正在执行时，下一条指令已经开始准备执行。增加吞吐量流水线技术可以提高CPU的吞吐量，因为在相同时间内可以执行更多的指令。计算机体系结构的分类1串行计算机体系结构传统计算机，指令顺序执行。2并行计算机体系结构多个处理器协同工作，提高计算速度。串行计算机体系结构单处理器只有一个中央处理单元(CPU)，一次只能执行一个指令。顺序执行指令按顺序执行，每个指令完成之后才能执行下一个指令。简单结构相对容易设计和实现，成本较低。并行计算机体系结构共享内存多个处理器共享同一个内存空间,它们可以直接访问彼此的数据.分布式内存每个处理器都有自己的私有内存,通过网络通信来交换数据.并行处理的分类指令级并行利用流水线技术，在同一时间执行多条指令的不同阶段，以提高指令执行效率。数据级并行通过对数据进行分解，将多个数据同时处理，以提高数据处理速度。任务级并行将一个大的任务分解成多个子任务，由多个处理器同时执行，以提高任务执行效率。并行计算机的结构组织1共享存储器系统所有处理器共享一个全局地址空间2分布式存储器系统每个处理器拥有自己的局部存储器3混合型系统结合了两种系统的优点向量处理机高性能计算向量处理机非常适合处理大量数据，例如科学计算和图像处理。专用指令集它们具有专门的指令集来高效地执行向量运算。并行处理向量处理机通过并行处理多个数据元素来提高效率。阵列处理机并行处理阵列处理机利用多个处理单元来同时执行同一操作，显著提升计算效率。数据并行适用于对大量数据进行相同的操作，例如图像处理和科学计算。结构特点多个处理单元以矩阵形式排列，每个单元处理数据的一个部分，协同完成计算。多处理器系统多核处理器在一个芯片上集成多个处理核心，共享缓存和内存，提高并行处理能力。集群系统多个独立的计算机通过网络连接，协同工作，实现高性能计算和容错。分布式系统将任务分解到多个计算机节点上执行，通过网络通信进行协调，提高可扩展性和可靠性。系统总线技术数据传输连接计算机系统中各个部件，传输数据、地址和控制信号。性能指标带宽、传输速率、数据传输周期等影响系统性能。标准化总线标准的制定和遵循，确保不同部件之间相互兼容。总线的分类和特点按结构分类总线可以分为单总线、多总线和层次总线。按传输方式分类总线可以分为串行总线和并行总线。按同步方式分类总线可以分为同步总线和异步总线。总线仲裁技术1集中式仲裁由一个专门的仲裁器负责分配总线使用权.2分布式仲裁多个设备共同参与仲裁过程,通常采用优先级机制或轮询机制.3链式仲裁多个设备通过链式连接,按照优先级顺序依次请求总线使用权.4独立请求仲裁每个设备都有独立的总线请求线路,